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..... :1632 Décembre 1995 THESE présentée à L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNO

..... :1632 Décembre 1995 THESE présentée à L'UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE pour obtenir le titre de DOCTEUR EN SCIENCES DES MATERIAUX par Patrick FLAHAUT CARACTERISATION ET COMPORTEMENT MECANIQUE Rapporteurs : Examinateurs : DE PLACAGES BIMETALLIQUES Soutenue le 1er Décembre 1995 devant la Commission d'Examen M. A.IOST M. M. FREMIOT M. J. FOCT M. G. BERANGER Mlle C. ROBIN Professeur, ENSAM de Lille Professeur, Ecole des Mines de Douai Professeur, Université de Lille 1 Prof1111ur, Univeraité de T.ctlnologie de Compiègne Profesaeur, Ecote des Mines de Douai SCD LILLE 1 11111111~11111 D 030 257703 6 --r 1, 50 .;tb A9~S .'!>2..5 Ce travail a été réalisé au Département Matériaux Métalliques de l'Ecole des Mines de DOUAI. Je remercie la Direction de l'Ecole des Mines de Douai de m'avoir fourni les moyens de mener à bien cette recherche. Je profite de l'opportunité qui m'est offerte pour exprimer mes vifs remerciements à Monsieur le Professeur M. FREMIOT, Adjoint au Directeur des Recherches de l'Ecole des Mines de Douai. Qu'il soit assuré de ma profonde reconnaissance pour les précieux conseils qu'il m'a prodigués, et pour avoir accepté d'être rapporteur de ce travail. Je tiens à remercier Monsieur le Professeur J. FOCT, mon Directeur de thèse et Président du jury, pour la confiance qu'il m'a témoignée. Toute ma reconnaissance s'adresse également à Monsieur le Professeur A. IOST pour avoir examiné en détail ce travail et avoir accepté d'être rapporteur. Je lui exprime mes plus vifs remerciements. Qu'il me soit permis d'exprimer ma vive reconnaissance à Monsieur le Professeur G. BERANGER pour m'avoir fait l'honneur d'être membre du jury et pour avoir accepté d'examiner ce travail J'exprime à Mademoiselle le Professeur C. ROBIN, responsable du Département Matériaux Métalliques de l'Ecole des Mines de DOUAI, toute ma gratitude pour sa collaboration et pour avoir accepté d'être membre du jury. Je tiens à remercier Monsieur G. BOURSE, responsable du laboratoire de Contrôles Non Destructifs à l'Ecole des Mines de DOUAI, pour les nombreux conseils et l'orientation qu'il a donnés pendant la rédaction de mon document. Je veux également remercier Monsieur S. HARIRI, responsable du laboratoire de Calcul des Structures de l'Ecole des Mines de DOUAI, pour les conseils efficaces et indispensables qu'il m'a apportés, notamment sur la partie mécanique et sur la modélisation par éléments finis Mes remerciements s'adressent aussi à Monsieur J. DURR, responsable du laboratoire d'Analyses Physiques, pour l'aide apportée aux résultats d'analyses. Enfin, je tiens à remercier Madame M. VANHEMS qui a contribué en grande partie à la dactylographie du mémoire. CHARACTERIZATION AND MECHANICAL BEHAVIOUR OF METAL PLATINGS Steel platings are widely used in the industries both to improve corrosion resistance and mechanical properties and to save high cost materials. Nevertheless, drawbacks can arise from atom diffusion through the interface and defects at the interface. The present work deals with the chemical and mechanical characterization of the interface in the case of low carbon - stainless steel platings and low carbon - tool steel platings. Platings are realized by high temperature hot rolling. lnterdiffusion at the interfaces is shown to be of prominent importance : deep carburization of stainless steel in the case of stainless steel plating and decarburization of tool steel for tool steel cladding. Crack propagation is observed during three points bending fatigue tests : normal propagation happens for stainless steel plating whereas extended delamination is observed between tool steel and low carbon steel. ln arder to throw light on this behaviour, residual stresses are determined by strain measurements during chemical etching of platings. A sharp transition is observed at the interfaces. For tool steel platings, delamination at the interface is interpreted by calculating stresses in front of cracks - Westergaard elastic mode! and finite elements analysis for an elastoplastic behaviour - Plastic deformation of the low carbon base material is shown to increase shear stresses at the interface with hard tool steel. Proposais are given to improve plating properties. Residual stress measurement and practical importance of residual stresses are discussed. 1 CARACTERISATION ET COMPORTEMENT MECANIQUE DE PLACAGES BIMETALLIQUES 1 Les aciers plaqués sont largement employés dans les industries à la fois pour améliorer la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques et pour en diminuer le coût. Néanmoins, des inconvénients peuvent subvenir à cause de la diffusion atomique à travers l'interface, et aussi par la présence de défauts au niveau de cet interface. Cette étude concerne la caractérisation chimique et mécanique de l'interface dans le cas des placages acier inoxydable austénitique et acier à outils sur acier à bas carbone. Les placages sont réalisés par laminage à chaud. Il a été mis en évidence que la diffusion de part et d'autre de l'interface avait une grande importance. Une recarburation profonde de l'acier inoxydable dans le cas de placage inoxydable et une décarburation de l'acier à outils dans le cas du placage acier à outils ont pu être vérifiées. La propagation de fissure est observée pendant des essais de fatigue en flexion 3 points : une propagation perpendiculaire à l'interface est observée dans le cas du placage acier inoxydable tandis qu'on constate une large délamination entre l'acier à outils et l'acier au carbone. De manière à essayer de comprendre ce comportement, nous avons déterminé les contraintes résiduelles par une méthode de relaxation en utilisant la dissolution chimique. Une très nette transition a pu être mise en évidence au niveau de l'interface. Dans le cas du placage acier à outils, la délamination au niveau de l'interface est interprétée en calculant les contraintes en fond de fissure (modèle élastique de Westergaard), sur la base du modèle des éléments finis dans le cas d'un comportement élastoplastique. La déformation plastique de l'acier à bas carbone permet de justifier l'augmentation des contraintes de cisaillement au niveau de l'interface avec l'acier à outils. Des propositions sont données de manière à améliorer les propriétés des plaqués. La mesure des contraintes résiduelles et son importance pratique sont également discutées. MOTS CLES: -Plaquage bimétallique -Interface - Contraintes résiduelles -Comportement élastoplastique SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE .......................................................... p. 6 CHAPITRE 1 : ASPECTS BIBLIOGRAPHIQUES .................................. p. 8 1.1- LES PROCEDES DE PLACAGES ................................................................. p. 9 1.1.1-lntroduction ....................................................................................... p. 9 1.1.2- Le laminage à chaud (calaminage) .................................................. p. 9 1.1.3- Placage par explosion ...................................................................... p.11 1.1.4- Explosion - laminage ........................................................................ p.13 1.1.5- Rechargement par soudage ............................................................. p. 13 1.1.6- Rechargement par soudage puis laminage .................................... p.15 1.1.7- Coulée et laminage ........................................................................... p.17 1.1.7.1- Placage sur une face 1.1.7.2- Placage sur deux faces 1.1.8- Coulée continue ................................................................................ p. 18 1.1.9- Brasage .............................................................................................. p.19 1.1.1 0- Conclusions sur les procédés de fabrication ............................... p. 19 1.2- EXEMPLES DE BIMETAUX .......................................................................... p.20 1.2.1- Placages aciers inoxydables ........................................................... p. 20 1.2.2- Placages aciers à outils ................................................................... p.22 1.2.3- Récapitulatif ....................................................................................... p.23 1.3- LA CARACTERISATION DES PLACAGES .................................................. p.25 1.3.1- La caractérisation chimique ............................................................. p.25 1.3.1.1- Les phénomènes de diffusion a) Analyse du phénomène b) Rappel théorique 1.3.1.2- Méthode d'analyse : la lampe à décharge 1.3.2- La caractérisation mécanique : les mesures des contraintes résiduelles à l'interface ................................................ p.37 1.3.2.1- Origine des contraintes structurales 1.3.2.2- Méthodes de mesure des contraintes résiduelles a) Méthodes non destructives - Diffraction des rayons X - Diffraction des neutrons - Effet Barkhausen - Méthode ultrasonore b) Méthodes destructives - Méthode de la flèche 2 - Méthode de Sachs - Méthode de Mathar et Soëte, dite du trou - Enlèvement par couches 1.3.3- Conclusion ......................................................................................... p.45 CHAPITRE Il :METHODES EXPERIMENTALES ................................. p.46 11.1- DESCRIPTION DES MATERIAUX UTILISES ............................................... p.47 11.1.1- Modes de fabrication ........................................................................ p.47 11.1.2- Analyse des placages .................. · .................................................... p.49 11.2- CARACTERISATION CHIMIQUE ................................................................. p.49 11.2.1- Analyse à la lampe à décharge ....................................................... p.49 11.2.2- Analyse à la microsonde électronique de Castaing ..................... p.50 11.2.3- Etude des profils de diffusion ......................................................... p. 51 11.3- CARACTERISATION MECANIQUE ............................................................. p.51 11.3.1- Essai de traction .............................................................................. p.51 11.3.2- Essai de cisaillement ....................................................................... p.51 11.3.3- Essai d'arrachement ........................................................................ p.52 11.3.4- Essais de flexion d'une poutre bimétallique ................................. p.53 11.3.4.1- Détermination des constantes élastiques 11.3.4.2- Etude statique 11.3.4.3- Répartition des contraintes et déformations dans une poutre bimétallique 11.4- MESURE DES PROFILS DE CONTRAINTES RESIDUELLES ................... p.60 11.4.1- Modèle théorique ............................................................................. p.60 11.4.2- Méthodologie .................................................................................... p.63 11.4.3- Montage expérimental ..................................................................... p.63 11.5- ESSAIS DE FATIGUE ................................................................................... p.64 11.5.1- Jauges à fils ..................................................................................... p.65 11.5.2- Résistivité ......................................................................................... p.66 11.5.3- Méthode ultrasonore : la détection des fissures proches de la surface ..................................................................... p.66 CHAPITRE Ill : RESULTATS EXPERIMENTAUX ................................ p.67 111.1- EXPERIMENTATION PRELIMINAIRE : ESSAIS DE FATIGUE ................. p.69 111.1.1- Flexion 4 points - placage acier inoxydable ................................. p.69 111.1.2- Flexion 4 points - placage acier à outils ....................................... p. 70 111.1.3- Flexion 3 points- placage acier inoxydable ................................. p. 71 111.1.4- Flexion 3 points - placage acier à outils ....................................... p. 72 3 111.1.5- Calcul du facteur d'intensité de contrainte ................................... p. 72 111.2- CARACTERISATION METALLURGIQUE ............................................ p.74 111.2.1- Distribution du carbone .................................................................. p.74 111.2.2- Distribution des éléments substitutionnels .................................. p.76 111.2.3- Aspect structural ............................................................................. p.82 111.2.3.1- Microstructures observées à l'interface du placage acier inoxydable 111.2.3.2- Microstructures observées à l'interface du placage acier à outils 111.2.3.3- Résultats des uploads/Voyage/caracterisation-et-comportement-mecanique-de-placage-bimetallique.pdf